土釘墻在冬施條件下的穩定性研究

肖 榮 鄒仕奇

1 概述

土釘與其他支護類型相比,具有工期短、造價低、施工簡便等優點,已在我國許多城市得到推廣應用。然而,土釘支護設計過程中,將受到選擇土工參數模型困難、變形和受力性能、破壞模式不易確定及凍結條件下的土壓力的計算和經驗的約束,出現了理論落后于實踐的局面。本文通過工點冬季施工過程中水平位移和土釘拉力的變化,分析冬季施工過程中凍脹對土釘支護穩定不利的影響,為今后類似工程提供參考依據。

2 凍脹力對基坑支護的影響

季節性凍土對土釘的安全危害,主要表現為季節性凍土對土釘的設計抗拉強度、土釘彎鉤與水平壓筋的連接強度,以及護面層強度的安全構成危害。由于北京地區土體的年平均地溫較高,地下水埋深較大,地基含水量較小,可以采取以下措施:坑壁及地面覆蓋草簾保溫,減小土層凍結厚度;地面施加混凝土硬覆蓋,防止地表水入滲;冬季停工期間,基坑降水不停止。

3 工程實例

北京廣安門外大街 305號住宅樓基坑工程中,由于工期緊,其基坑必須在冬季來臨前完成,并在來年進行底板施工,而在設計中卻沒有將凍脹力考慮在內。為確保基坑的安全性,在基坑一側進行了相應的監測項目,驗證越冬期間凍脹對基坑的不利影響。

3.1 支護設計

3.1.1 工程條件

擬建工程的地貌單元屬于永定河沖洪積扇中上部,上部為人工填土層,其下為第四紀沉積土層,主要由粘性土、粉土、砂土及碎石土構成,擬采用復合土釘墻支護方案。

基坑分為 1—1,2—2,3—3,4—4,5—5,6—6,7—7七個支護分區,論文僅以 3—3剖面支護斷面進行分析討論,該斷面的基坑開挖深度為 14.30m。設計中將附近的臨時設施荷載考慮在內,荷載距基坑邊線7.0m,寬度為3.0m,大小為20 kPa均載。

3.1.2 設計及穩定性驗算

1)支護設計。

復合土釘墻設計方案,直接將涉及的錨桿作為土釘進行設計,其設計過程見JGJ 120-99建筑基坑支護技術規程。

通過計算及工程類比設計,基坑支護方式為:上部 5.0m放坡系數1∶0.2;下部9.3m放坡系數為1∶0.4;設計土釘8道,錨桿2道,長度3m～15m,水平間距1.5m,豎向間距1.4m,梅花狀布置。土釘和錨桿人工或機械成孔,土釘孔徑 100mm,錨桿孔徑150mm,傾角 10°～15°,壓力注P.S.A.32.5素水泥漿,水灰比0.50,土釘桿體材料為螺紋鋼 1Φ20,噴錨面層為φ6.5@200×200鋼筋網和螺紋鋼 Φ14的橫縱向加強筋。錨筋采用 1束(7φ5) 1860級鋼絞線,第一道錨桿自由段 5.0m(采用隔漿處理),錨固段長度10.0m;第二道錨桿自由段5.0m(采用隔漿處理),錨固段長度7.0m;孔內注水泥漿,漿體強度M20,采用20b槽鋼作為腰梁,第一道錨桿鎖定力不小于 120 kN,第二道錨桿鎖定力不小于150 kN。面層噴射10 cm厚C20細石混凝土,混凝土配比為水泥∶砂∶碎石=1∶2∶2;坡頂四周做1.0m寬的散水,材料做法同噴錨面層。復合土釘墻最后的設計如圖 1所示。

2)穩定性驗算。

a.整體穩定性計算。抗滑安全系數為Kh=2.90;土釘墻的抗傾覆安全系數為Kh=3 725.48/1 360.72=2.74;土釘的抗拉安全系數為K=5.08,均大于規范要求。b.內部整體穩定性驗算。內部穩定性系數按圓弧法進行計算,圓心和圓弧均采用枚舉法進行,穩定性系數隨開挖過程不同而不同;其安全系數均大于1.2,滿足規范要求。

3.2 現場監測數據分析

鑒于設計中未考慮凍脹力,因此,選擇了基坑 3—3斷面作為試驗研究對象,進行水平位移和土釘拉力測試,用來判斷其越冬期間該基坑的穩定性。

3.2.1 監測項目的布置

考慮到基坑的最大變形通常發生在基坑的中心,因此在 3—3斷面中心位置鉆孔埋設測斜管;考慮到細粒土存在凍脹現象,而粗粒土凍脹作用不明顯這一特點,在第 1,3,4,5層土釘及第 1層錨桿布置拉力測試元件(錨桿測力計);其中土釘第 1層 ～第 4層和第 1層錨桿在細粒土地基中,土釘第 5層則在粗粒土中。

3.2.2 水平位移的變化特征

從監測數據來看,隨著氣溫的不斷降低,其水平位移量逐漸加大,從 2008年 12月 29日～2009年 1月 19日,水平位移量從8.9mm增長到26.2mm,增長幅度達194.4%。

從圖 2可以看出水平位移量主要發生在開挖深度范圍內(開挖深度為 14.3m),開挖結束后,開挖深度內水平位移變化量很小,而寒冷季節過后,在基坑上部 8m以上的水平位移變化量較大,分析其原因是由于該范圍主要為粘性土,在冬季由于凍脹類土的凍脹作用,產生了較大的水平位移;從2009年1月 19日～2月18日,在深度2m位置處,其水平位移僅增長了3.0mm,說明基坑的凍脹量主要發生在凍脹前期,由于基坑側壁上其水分沒有繼續補充,因此其凍脹量就沒有繼續增加。從以上現象可以看出,基坑的水平位移量絕大部分由凍脹引起,這點也可以從土釘的拉力變化特征得到,其變化值也主要發生在此時間段。

3.2.3 土釘拉力變化特征

從表 1可以看出,土釘的拉力在開挖完成后一段時間內,其拉力的變化不大;到 12月中旬開始,其拉力隨著氣溫的降低而逐漸增大,在 2008年 12月 23日達到最大,其后拉力值基本保持不變。對于第 1層土釘而言,開挖到基底后,其拉力為8.31 kN,20 d后的拉力值幾乎不變;但隨著氣溫的降低,其拉力值逐漸增大,至2009年 1月 13日時,其拉力值達到了最大值 9.28 kN,增加了0.97 kN;同樣的,對于第 3層土釘,其拉力值也在此階段有了相應的增加;說明對于具有凍脹敏感性的粘性土而言,由于該部分出現了較大部分的水平位移,其拉力也相應的增加。但對于第 4層和第 5層土釘而言,由于其所處位置為非凍脹土,不發生凍脹,因此,該兩層土釘在寒季中沒有出現拉力明顯增大的現象。

表1 不同部位的土釘拉力測試統計表

4 結語

論文通過對土釘支護中凍脹力的產生原因及實例分析,得到以下結論:

1)北方地區的寒冷冬季的基坑開挖必須考慮凍脹力,尤其是地下水量埋藏淺且豐富的地區,務必考慮凍脹力的存在,并采用一定的防凍脹措施;

2)基坑開挖后,其凍脹產生的水平量也相當可觀,最大的水平位移達到34.9mm,對于旁邊有管線的地段,尤其要注意其水平位移的發展;土釘拉力的增加和水平位移的變化主要發生在凍脹土中,對于弱凍脹的地基土,可以不予考慮。

[1] JGJ 120-99,建筑基坑支護技術規程[S].

[2] JGJ 118-98,凍土地區建筑地基基礎設計規范[S].

[3] 胡煥校,魏 濤.土釘與樁錨復合支護方案在邊坡工程中的應用[J].山西建筑,2010,36(1):107-108.